CC BY
15
УДК 621.436
КРИВОШЕЯ Ю.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) КРИВОШЕЯ Д.С., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Обоснование замены гидромеханического регулятора дизеля электронным на тепловозах с гидропередачей
Krivosheya Y.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Krivosheya D.S., Senior Lecturer (DRTI)
Substantiation of replacing a hydromechanical diesel regulator with an electronic one on diesel locomotives with hydraulic transmission
Введение
Тяговый подвижной состав Донецкой железной дороги, а также промышленных предприятий физически и морально устарел. Большинство локомотивов в эксплуатации требуют на 50...70 % больше расходов на техническое обслуживание и ремонты, имеют низкую экономичность по сравнению с современными моделями, и имеют повышенное отрицательное воздействие на окружающую среду.
Указанные факторы
обуславливают необходимость
продления срока эксплуатации локомотивов и поиск новых решений по повышению надежности силовых установок и их топливной экономичности.
В настоящее время особое внимание уделяется повышению топливной экономичности и снижению токсичности отработавших газов силовых установок автономного подвижного состава для маневровой работы.
Анализ последних исследований и публикаций
В настоящее время на тепловозах стали широко использоваться
электронные регуляторы частоты вращения коленчатого вала и мощности дизеля, причем как на новых локомотивах, так и на находящихся в эксплуатации. Электронные регуляторы числа оборотов (РЧО) заменяют штатные гидромеханические, которые выработали свой ресурс и не обеспечивают в полной мере надежную работу дизеля. Электронные регуляторы внедрены на тепловозах ТЭМ2, ТЭМ18, ЧМЭ3, ЧМЭ3Т, ЧМЭ3Э [1, 2].
Использование микропроцессорных САР параметров двигателя позволяет обеспечить требования к показателям топливной экономичности и токсичности отработавших газов локомотивных энергетических установок [3, 4].
В работе [5] отмечено все возрастающее применение в тепловых двигателях электронных систем управления. Указанные системы влияют на мощностные и динамические показатели дизелей, показатели топливной экономичности и
токсичности отработавших газов, позволяя решать комплексную задачу автоматизации и оптимизации рабочего процесса двигателя.
Анализ публикаций показал, что перспективным направлением в
совершенствовании рабочих процессов транспортных двигателей является применение САР локомотивных энергетических установок.
Цель работы
Обосновать замену штатного гидромеханического регулятора
частоты оборотов коленчатого вала дизеля тепловоза с гидравлической передачей мощности на электронный регулятор дизеля.
Основная часть
На промышленных предприятиях ДНР маневровая работа выполняется тепловозами серий ЧМЭ3, М62, ТЭМ2, ТЭМ7, ТГМ4, ТГМ6 и др. Затраты на их содержание составляют более 25 % от общих эксплуатационных расходов, при этом основной статьей расходов являются затраты на дизельное топливо. Опыт эксплуатации как маневровых, так и магистральных тепловозов с электропередачей с электронными регуляторами дизеля уже имеется в России и странах ближнего зарубежья, поэтому авторы предлагают
оборудовать данными регуляторами тепловозы с гидропередачей.
За прототип взят маневровый тепловоз ТГМ6. Тепловозы этой серии в эксплуатации находится уже более 40 лет. Все они оборудованы гидромеханическими регуляторами. Длительный срок эксплуатации штатных регуляторов приводит к разрегулировкам дизеля, что, в свою очередь, влечет за собой внеплановые ремонты регулятора и дизеля. Качество работы многократно
ремонтировавшегося штатного
регулятора проигрывает в сравнении с
современными электронными
регуляторами. Кроме того, у электронных РЧО отсутствуют механические узлы, которые наиболее подвержены износу и неисправностям.
Одним из основных недостатков гидромеханических регуляторов
является то, что они не обеспечивают стабильность скоростных режимов при переходных режимах работы дизеля, а именно несоответствие количества подаваемого в цилиндры топлива давлению наддува. Последнее приводит к перерасходу топлива при каждом переключении рукоятки контроллера машиниста, увеличению дымления отработавших газов, а также нагарообразованию на деталях поршневой группы и выхлопного коллектора.
Электронный же регулятор позволяет улучшить качество процесса регулирования - уменьшить заброс частоты вращения и повысить устойчивость САРЧ [6]. Кроме того, они обеспечивают ограничение подачи топлива в функции давления наддува и при пуске двигателя, защиту от боксования и др. [7].
Задача САРЧ заключается в поддержании в заданных пределах параметра частоты вращения п при изменении нагрузки на двигатель. Это обеспечивается изменением количества подаваемого в цилиндры дизеля топлива [8].
Заброс параметра частоты вращения в переходном процессе (перерегулирование) о и
продолжительность переходного
процесса ^ - наиболее важные динамические качества дизеля. К последним в зависимости от класса точности САР предъявляются жесткие требования (табл. 1) [9].
Таблица 1
Показатели САРЧ
Показатель Класс точности САРЧ
1 2 3 4
Заброс частоты вращения, %, не более 5,0 7,5 10,0 15,0
Длительность
переходного 2,0 3,0 5,0 10,0
процесса, с, не
более
Электронные регуляторы
производства ОАО «ППП
Дизельавтоматика» (г. Саратов),
устанавливаемые на тепловозах с электрической передачей мощности и дизель-поездах, принадлежат к 1 классу точности [10]. К 1 классу относятся и электронные регуляторы немецкой фирмы HEINZMANN. Хотя их стоимость превосходит российские аналоги, немецкие регуляторы более надежны в эксплуатации и могут применяться в тепловозах с гидравлической передачей [7].
Состав электронной системы управления локомотивом: бокс управления, содержащий цифровой блок управления, конвертор, интерфейс локомотива; актуатор (исполнительное устройство, предназначенное для перемещения реек топливных насосов); датчик частоты вращения, а также компоненты по требованию заказчика: комплект кабелей, дополнительный датчик частоты вращения, комплект датчиков давления масла, давления наддува, давления воздуха для определения задающих значений, температуры воздуха наддува, температуры охлаждающей жидкости, ручной программатор, программное обеспечение [7].
Основой блока управления является микропроцессор,
регулирующий работу дизеля в
соответствии с программой, заложенной в его запоминающее устройство. Блок-схема работы электронного регулятора на тепловозах с гидропередачей приведена на рис. 1.
Преимущества использования электронных регуляторов НЕГ^МАКК [11]:
1. Значение падения (заброса) частоты вращения двигателя при ступенчатом набросе и сбросе нагрузки не превышает 4 %, что соответствует 1-му классу точности САРЧ по ГОСТ Р 55231-2012.
2. Длительность переходного процесса регулирования при ступенчатом набросе и сбросе нагрузки соответствует 1 -му классу точности САРЧ по Р 55231-2012.
3. За счет улучшения стабильности работы двигателя и динамики переходных процессов улучшаются экономические показатели: снижение эксплуатационных расходов топлива и масла.
4. Конфигурация регулятора предусматривает как ручной режим управления двигателем, так и автоматическое управление более высокого уровня.
5. Высокая стабильность характеристик и надежность регулятора из-за отсутствия изнашивающихся механических узлов. Электронному регулятору масло не требуется.
6. Контроль технического состояния и работоспособности электронных регуляторов с помощью встроенной системы диагностики.
7. Малый вес и компактность.
8. Минимальное техническое обслуживание в эксплуатации.
На Донецком металлургическом заводе с 2013 г. задействован для технологических перевозок на станции Сортировочная маневровый тепловоз ТГМ6 №1762, оборудованный электронной системой регулирования.
ГчдраВлическая
л
Дизель
Магнитный датчик
Актуатор
Дублирующий сигнал частоты Прощения
Датчик давления наддуВа
Датчик температуры
Датчик Мления масла
¡,-20 мА
Минимальная частота Вращения Стоп
2 í В постоянного тока
V
Регулиройко подачи топлиВа í-20 мА
Управление частотой Вращения Установка частоты Вращения
Настройка стартоВой подачи топлиВа Темп изменения частоты Вращения
Ограничение подачи топлиВа по давлению наддуВа Ограничение подачи топлиВа от частоты Вращения
Ограничение подачи топлиВа от температуры Защита от ВоксоВания
Контроль давления масла от частоты Вращения Сигнал частоты Вращения
Контроль нагрузки Сигнал подачи топлиВа
Переключение ЗПР СА/Ч-шина
Контроль управления и датчиков
Блок управления
-б^О-
-О^О--Ó ""О— —^ 1,-20 мА
Стоп
частота Вращения
Ограничение момента
Сигнал ВоксоВания
i-20 мА
Подключения
ТреВога
Диагностика
Рис. 1. Блок-схема управления частотой вращения коленчатого вала дизеля с помощью ЭРЧО Pegasos для тепловоза с гидропередачей
Для обоснования
целесообразности замены
гидромеханического РЧО на электронный выполним расчеты технико-экономических показателей работы тепловоза ТГМ6 № 1762.
Тепловоз № 1762 со штатным регулятором с 12 июня по 30 сентября 2012 г. отработал 171 смену продолжительностью 12 часов и 4 смены общей продолжительностью 16 часов. Таким образом, время работы тепловоза составило:
г! = 171 • 12 + 16 = 2068 лок-ч. (1)
При этом фактический расход топлива составил 26208 л по данным техотдела завода. Определим средний расход топлива тепловозом на 1 лок-ч:
0Т1 = 26208/ 2068 = 12,67 л/ч. (2)
Тепловоз № 1762 с электронным регулятором с 12 июня по 30 сентября 2013 г. отработал 170 смен по 12 часов и 2 смены общей продолжительностью 20 часов:
= 170 • 12 + 20 = 2060 лок-ч. (3)
Фактический расход топлива составил 23570 л. Тогда средний расход топлива на 1 лок-ч:
От2 = 23570 / 2060 = 11,4 л/ч. (4)
Учитывая, что плотность дизельного топлива р = 0,871 кг/л для летнего периода при I = 30 °С [12], тогда средние расходы топлива тепловозом до и после оборудования электронной системой управления составят соответственно GТ1 = 11 кг/ч и 0Т2 = = 9,92 кг/ч.
Экономия расхода топлива тепловозом ТГМ6 №1762 при внедрении электронного регулятора составила:
Для тепловоза со штатным регулятором:
Оч1 = 0,204 • 882 = 180 кг,
АОт - On - Gt2,
ДОт - 11 - 9,92 - 1,1 кг/ч,
(5)
что соответствует 11 %.
Один из основных технико-экономических показателей тепловоза -КПД, рассчитываемый по формуле [13]:
1 =■
3600• NK
(6)
где 3600 кДж/(кВт ч) - тепловой эквивалент 1 киловатт-часа;
N - касательная мощность тепловоза, кВт;
Gч - часовой расход дизельного топлива, кг/ч;
0нр = 41870 кДж/кг - низшая
теплота сгорания дизельного топлива.
Касательная мощность тепловоза N определяется по формуле [13]:
N =
F • v
3,6 :
(7)
где ^к - касательная сила тяги тепловоза, кН;
V - скорость тепловоза, км/ч.
Часовой расход дизельного топлива Gч определяется по формуле [13]:
Оч - ge ■ Nе.
(8)
где gе - удельный эффективный расход дизельного топлива; для дизеля 3А-6Д49 тепловоза ТГМ6
gе = 0,204 кг/(кВт ч) [14];
Ые - эффективная мощность дизеля, для дизеля 3А-6Д49 N = 882 кВт [14].
= 58,8-38 = б2о,б кВт, к1 3,6
3600 • 620,6 л _
1т1 =-— = 0,296.
т1 180 • 41870
Для тепловоза с электронным регулятором:
G42 — G4i — G4i 11 % ,
Оч2 - 180 - 180 • 0,11 = 160,2 кг,
= ^^ = 620,6 кВт, к2 3,6
3600 • 620,6
1т2 =-— = 0,33.
160,2•41870
Таким образом, при замене штатного гидромеханического
регулятора дизеля тепловоза ТГМ6 № 1762 на электронный регулятор НЕГЖМАКК фактическая экономия топлива составила 1,1 кг/ч или 11 %, а КПД тепловоза увеличился на 3,4 %.
Выводы
Получение результатов по достижению необходимых параметров топливно-экономических, экологических и показателей устойчивой работы дизеля невозможно без применения и совершенствования электронных систем управления и регулирования. Применение
электронных САР частоты вращения и мощности дизеля позволит не только повысить точность заданных
характеристик, но и обеспечить их стабильность в эксплуатации, а также получить значительный технико-экономический эффект.
Для более полной и достоверной оценки эффективности замены штатных гидромеханических регуляторов на электронные на тепловозах с гидропередачей необходимо проводить дальнейшие исследования показателей согласованной работы дизеля и гидропередачи, дизеля и
турбокомпрессора на неустановившихся режимах.
Список литературы:
1. Аникиев И.П. Электронный регулятор дизеля на тепловозе ТЭМ2 / И.П. Аникиев, А.Н. Кирьянов, И.А. Черезов // Локомотив. - 2013. -№ 2. - С. 30-32. - № 3. - С. 31-34.
2. Аникиев И.П. Электронный регулятор дизеля тепловоза ЧМЭ3 / И.П. Аникиев, А.Н. Кирьянов, С.В. Лобанов, В.В. Фурман // Локомотив. - 2010. - № 7. - С. 23-25.
3. Коссов ЕЕ. Совершенствование режимов работы силовых энергетических систем тепловозов / Е.Е. Коссов, Е.Н. Шапран,
B.В. Фурман. - Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В. Даля, 2006. - 280 с.
4. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания / В.И. Крутов. -М.: Машиностроение, 1989. - 416 с.
5. Марков В.А. Направления совершенствования систем автоматического управления и регулирования теплоэнергетических установок / В.А. Марков, В.И. Шатров // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2015. - № 5. -
C. 128-148.
6. Марков В.А. Исследование системы автоматического регулирования частоты вращения тепловозного дизеля / В.А. Марков,
B.В. Фурман, В.А. Иванов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2013. - № 8. -
C. 54-63.
7. HEINZMANN. Цифровая система управления PEGASOS для локомотива: Руководство по эксплуатации. - 56 с.
8. Прохоренко, А.А. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: учеб. пособие / А.А. Прохоренко - Х.: НТУ «ХПИ», 2014. - 102 с.
9. ГОСТ Р 55231-2012. Системы автоматического регулирования частоты вращения (САРЧ) судовых, тепловозных и промышленных двигателей внутреннего сгорания. Общие технические условия. - Введ. 2013 - 07 - 01. - М.: Стандартинформ, 2013. - 30 с.
10. Электронные регуляторы для тепловозов, дизель-поездов и других средств железнодорожного транспорта [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://dizavt.ru/catalog/?SECTION_ID=11 -Загл. с экрана.
11. Двигатели ОАО «ММЗ» для дизель-генераторных установок с электронными регуляторами [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://po-mmz.minsk.by/catalogue/dv_dizgen/ -Загл. с экрана.
12. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - М.: Наука, 1972. - 720 с.
13. Боднар Б.Е. Гидравлические передачи локомотивов: метод. указ. к выполнению курсовой работы / Б.Е. Боднар, Д.В. Бобырь,
О.М. Гончаров, А.П. Шепотенко. -Днепропетр. нац. ун-т ж/д. трансп. им. акад. В. Лазаряна. - Д., 2003. - 33 с.
14. Тепловозные дизели типа Д49 / Под ред. Е.А. Никитина. - М.: Транспорт, 1982. - 255 с.
Аннотации:
В статье описаны недостатки применяемых штатных гидромеханических регуляторов числа оборотов дизеля. Отмечено, что все большее применение находят электронные регуляторы. В связи с этим авторами предложено заменить ими штатные регуляторы на тепловозах с гидропередачей. Приведены преимущества, состав и принцип работы электронной системы управления. Выполнены технико-экономические расчеты, подтверждающие целесообразность
предложенного решения.
Ключевые слова: тепловоз с гидравлической передачей, гидромеханический регулятор, частота вращения коленчатого вала дизеля, переходной процесс, топливная экономичность, электронный регулятор.
The article describes the disadvantages of the used standard hydromechanical controls of the number of revolutions of the diesel engine. It was noted that electronic regulators are increasingly being used. In this regard, the authors proposed to replace them with regular regulators on diesel locomotives with hydraulic transmission. Advantages, composition and operating principle of electronic control system are given. Technical and economic calculations were performed confirming the feasibility of the proposed solution.
Keywords: locomotive with hydraulic transmission, hydromechanical regulator, diesel engine crankshaft rotational speed, transitional process, fuel efficiency, electronic regulator.
